二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法

本发明属于半导体，具体涉及一种二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法。

背景技术：

1、氧化镓(ga2o3)是一种宽带隙半导体材料，包括α、β、γ、δ和ε相，其中β-ga2o3(β相ga2o3)是最稳定的形态，β-ga2o3具有许多优异的电学和光学性质，其带隙为4.9ev，因此在半导体器件领域引起了广泛的关注和研究。

2、β-ga2o3作为一种新型半导体材料，具有突破传统半导体技术的潜力，它可以为现有的电子器件提供更高的功率密度和更高的工作温度，氧化镓的高击穿电场强度使其在功率电子器件中成为理想的候选材料，如功率开关、电源电子、光伏逆变器等。由于其宽能隙特性，氧化镓还具有光电器件方面的应用潜力，如紫外光探测器、深紫外光发射器等。目前，β-ga2o3晶体薄膜主要通过化学气相沉积、卤化物气相外延、分子束外延、磁控溅射制备，β-ga2o3晶体薄膜由于与传统的硅、蓝宝石等异质衬底的晶格失配较大，所制备的单晶薄膜质量并不出色。而关于β-ga2o3晶体薄膜研究较少，高质量的二维β-ga2o3晶体薄膜可应用在电力电子器件、智能穿戴、高密度电池中。目前已有的是山东大学钱凯教授通过液态金属挤压印迹法制备了光滑、连续、均匀的ga2o3薄膜，厚度在3nm左右。

3、现有技术中，通过液态金属挤压印迹法制备出的二维β-ga2o3是非晶态，其薄膜质量较差，无法真正有效地利用在器件的结构层中。而像化学气相沉积、卤化物气相外延沉积速度过快，生长出来的薄膜的结晶性差，无法精准控制生长的层数，主要是用来生长β-ga2o3单晶。磁控溅射一般只能生长出结晶性较差的多晶或者非晶态的β-ga2o3。分子束外延设备在目前的同质或者异质外延中，由于ga在非金属衬底上较低的迁移率，导致在前5层生长过程中为非晶态的缓冲层，生长模式为小岛生长，然后岛合并，再逐渐以层状模式生长。

4、因此，针对上述技术问题，有必要提供一种二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法。

2、为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

3、一种二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

4、s1、提供β-氧化镓单晶衬底；

5、s2、在β-氧化镓单晶衬底上覆盖一层范德华材料层；

6、s3、采用分子束外延工艺，在覆盖有范德华材料层的β-氧化镓单晶衬底外延生长二维β-氧化镓晶体薄膜。

7、一实施例中，所述范德华材料层为石墨烯层或六方氮化硼层，厚度为1～3个原子层厚度。

8、一实施例中，所述范德华材料层的厚度为0.2nm～2nm。

9、一实施例中，所述步骤s3包括：

10、提供具有镓源和氧源的分子束外延系统；

11、将覆盖有范德华材料层的β-氧化镓单晶衬底置于分子束外延系统中的生长台上，加热镓源以提供镓原子，关闭氧气源，在覆盖有范德华材料层的β-氧化镓单晶衬底上生长一层镓层；

12、打开氧源以提供氧气，并对氧气进行射频裂解，射频裂解后的氧原子与镓原子在富氧气氛中反应，生长得到二维β-氧化镓晶体薄膜。

13、一实施例中，所述镓源的加热温度为800℃～1100℃，镓源流速为和/或，

14、所述氧源提供的氧气流量为0.5sccm～5sccm；和/或，

15、氧气射频裂解的功率为200w～350w；和/或，

16、氧原子与镓原子的反应时间为30min～300min。

17、一实施例中，所述分子束外延工艺在真空条件下进行，压力为10-7torr～10-10torr。

18、一实施例中，打开氧源之前，分子束外延系统中生长台的温度为250℃～350℃；打开氧源之后，分子束外延系统中生长台的温度为500℃～600℃。

19、一实施例中，所述步骤s2后还包括：

20、在真空条件下，对覆盖有范德华材料层的β-氧化镓单晶衬底进行退火工艺，退火温度为200℃～400℃，退火时间为3h～24h。

21、一实施例中，所述步骤s3后还包括：

22、将生长完成的二维β-氧化镓晶体薄膜进行冷却，冷却速率为1k/min～30k/min。

23、一实施例中，所述步骤s3后还包括：

24、将生长完成的二维β-氧化镓晶体薄膜通过机械剥离工艺或超声剥离工艺从β-氧化镓单晶衬底上剥离。

25、本发明具有以下有益效果：

26、本发明通过在同质衬底覆盖一层范德华材料层，采用分子束外延工艺可以在范德华材料层上外延生长高质量的二维β-氧化镓晶体薄膜，可广泛应用于电力电子器件、智能穿戴、高密度电池中。

技术特征：

1.一种二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法，其特征在于，所述范德华材料层为石墨烯层或六方氮化硼层，厚度为1～3个原子层厚度。

3.根据权利要求1所述的二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法，其特征在于，所述范德华材料层的厚度为0.2nm～2nm。

4.根据权利要求1所述的二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤s3包括：

5.根据权利要求4所述的二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法，其特征在于，所述镓源的加热温度为800℃～1100℃，镓源流速为和/或，

6.根据权利要求4所述的二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法，其特征在于，所述分子束外延工艺在真空条件下进行，压力为10-7torr～10-10torr。

7.根据权利要求4所述的二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法，其特征在于，打开氧源之前，分子束外延系统中生长台的温度为250℃～350℃；打开氧源之后，分子束外延系统中生长台的温度为500℃～600℃。

8.根据权利要求1所述的二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤s2后还包括：

9.根据权利要求1所述的二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤s3后还包括：

10.根据权利要求1所述的二维β-氧化镓晶体薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤s3后还包括：

技术总结
本发明揭示了一种二维β‑氧化镓晶体薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：S1、提供β‑氧化镓单晶衬底；S2、在β‑氧化镓单晶衬底上覆盖一层范德华材料层；S3、采用分子束外延工艺，在覆盖有范德华材料层的β‑氧化镓单晶衬底外延生长二维β‑氧化镓晶体薄膜。本发明通过在同质衬底覆盖一层范德华材料层，采用分子束外延工艺可以在范德华材料层上外延生长高质量的二维β‑氧化镓晶体薄膜，可广泛应用于电力电子器件、智能穿戴、高密度电池中。

技术研发人员：李春晓,詹高磊,袁秉凯,宋文涛
受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16